Mặt trăng định hình do một va chạm vệ tinh đồng hành

Va chạm định hình mặt trăng

Hình mô phỏng một va chạm giữa Mặt trăng và một vệ tinh đồng hành nhỏ hơn. (Ảnh: Martin Jutzi và Erik Asphaug)

Những khác biệt giữa mặt gần và mặt xa của Mặt trăng có thể là hệ quả của một va chạm giữa Mặt trăng và một vật thể đồng hành “du thủ du thực” xảy ra hồi hàng tỉ năm về trước. Đó là kết luận của các nhà địa vật lí ở Mĩ và Thụy Sĩ. Họ đã chạy những mô phỏng trên máy tính xem Mặt trăng sẽ bị ảnh hưởng như thế nào bởi một va chạm khủng khiếp như vậy.

Kể từ khi sứ mệnh vũ trụ Lunar 3 vén màn phía sau Mặt trăng vào năm 1959, chúng ta đã biết rằng mặt gần và mặt xa của Mặt trăng là khác nhau. Mặt gần (luôn hướng về phía Trái đất) bị chiếm ngự bởi những đồng bằng basalt tương đối nhẵn gọi là “maria”, còn mặt xa thì đầy núi non và hang hố sâu hoắm. Người ta tin rằng hai mặt cũng khác nhau về cái nằm bên dưới bề mặt, với lớp vỏ mặt gần dường như mỏng hơn nhiều so với lớp vỏ mặt xa.

Các nhà khoa học đã có một số lí thuyết lí giải vì sao hai mặt lại khác nhau như thế. Trong số này có lí thuyết sinh nhiệt thủy triều của Mặt trăng do trường hấp dẫn của Trái đất hoặc sự tích lũy mảnh vụn từ miệng hố va chạm lớn tại cực nam của Mặt trăng.

Nay Martin Jutzi và Erik Asphaug thuộc trường Đại học California, Santa Cruz vừa chạy những mô phỏng trên máy tính cho thấy mặt xa của mặt trăng là tàn dư của một vụ va chạm giữa Mặt trăng và một vệ tinh đồng hành nhỏ hơn.

Va chạm tốc độ thấp

Theo hai nhà nghiên cứu trên, vệ tinh đồng hành đó có thể hình thành cùng lúc với Mặt trăng – khi một hành tinh cỡ sao Hỏa va chạm với Trái đất không bao lâu sau khi hệ mặt trời ra đời. Cú va chạm đã giải phóng một vành đai mảnh vụn khổng lồ sau đó quay xung quanh hành tinh của chúng ta, và người ta tin rằng phần lớn chất liệu này đã nhanh chóng co lại thành Mặt trăng. Theo Asphaug, cũng có khả năng có một hoặc nhiều vệ tinh nhỏ khác đồng thời hình thành tại những điểm cân bằng bên trong cái vành đó. Một vệ tinh như thế sau đó có thể bị đưa vào một quỹ đạo du thủ du thực, theo đuôi đằng sau hoặc dẫn trước Mặt trăng 60 độ. Tuy nhiên, người ta nghĩ quỹ đạo này chỉ tồn tại trong khoảng 100 triệu năm và kết thúc với việc vệ tinh đồng hành đó lao vào Trái đất hoặc Mặt trăng ở một tốc độ tương đối thấp.

Đây là kịch bản mà Jutzi và Asphaug đã chạy mô phỏng trên máy tính của họ. Hai nhà nghiên cứu giả sử vệ tinh đồng hành bằng khoảng 3% khối lượng Mặt trăng và hai vật thể va chạm ở tốc độ chừng 2400 m/s hay khoảng 8600 km/h. Đây là vận tốc người ta trông đợi trong sự phá hủy của quỹ đạo du thủ du thực. Một hệ quả quan trọng của va chạm tốc độ thấp này là hai vệ tinh dính vào nhau chứ không xé toạc nhau ra. “Nó không tạo ra một miệng hố, mà nén dồn vật liệu lên một phía”, Asphaug giải thích.

Vận tốc va chạm đó cũng thấp hơn nhiều so với tốc độ của âm thanh trong đá cấu tạo nên hai vệ tinh, nghĩa là nhiệt sinh ra bởi sự va chạm bị tiêu tán hiệu quả và do đó không xảy ra sự tan chảy đất đá hàng loạt.

Các mô phỏng cho thấy sau cú va chạm, một lớp đá nén vỡ mới tích góp lên trên một bán cầu của Mặt trăng. Mô hình cho biết quy mô và bề dày của lớp này phù hợp với cái chúng ta biết về bề mặt của phía bên kia của Mặt trăng. Ngoài ra, mô phỏng còn dự đoán vụ va chạm sẽ đẩy phần lớn lõi magma của Mặt trăng về phía mặt gần – điều này phù hợp với những phép đo nhiệt độ mặt trăng.

Bản đồ trường hấp dẫn GRAIL

Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch tìm kiếm manh mối của một vụ va chạm trong dữ liệu mới từ Mặt trăng. Hai nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến bản đồ trường hấp dẫn của lõi Mặt trăng sẽ được lập bởi sứ mệnh GRAIL của NASA, theo lịch trình sẽ phóng lên vào tháng 9 tới. GRAIL sẽ khảo sát bề dày và cấu trúc của lớp vỏ Mặt trăng, cái khi đó có thể so sánh với những dự đoán đặc biệt của mô hình của Jutzi và Asphaug.

Các nhà nghiên cứu còn hứng thú với việc so sánh tuổi của đá lấy từ mặt gần và mặt xa. Nếu lí thuyết của họ là đúng, thì đá ở bên mặt xa sẽ lớn tuổi hơn vì chúng hình thành trên vệ tinh nhỏ hơn.

Nguồn: physicsworld.com